迷你暗室寬頻吸波材料的設(shè)計(jì)、制備與性能研究

2017-02-14  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

張穎1,羅慶春1,朱泳健1,2,羅奕然1,劉列1,2*

1 深圳市通用測(cè)試系統(tǒng)有限公司 深圳 518102
2 湖南大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410082

電磁干擾(EMI)是電子、電信、通訊、網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)等系統(tǒng)在工作中常見(jiàn)的一種電磁污染現(xiàn)象。在通信領(lǐng)域,OTA(Over-The-Air)測(cè)量對(duì)象更多的向小型移動(dòng)終端發(fā)展,同時(shí)用于OTA測(cè)量的平臺(tái)——微波暗室,對(duì)純凈電磁環(huán)境的要求也越來(lái)越高。吸波材料是一類具有吸收電磁波,減弱雜波對(duì)系統(tǒng)干擾的材料,因而廣泛的應(yīng)用于各種測(cè)量暗室及其他電磁屏蔽領(lǐng)域。

吸波材料種類繁多,按其吸波劑電磁波吸收機(jī)理可分為:電阻損耗型、介電損耗型和磁損耗型【1】。暗室用吸波材料主要有吸波泡沫和吸波橡膠兩大類,前者是硬質(zhì)或軟質(zhì)電阻損耗型泡沫復(fù)合材料,后者多為磁損耗型橡膠復(fù)合材料。然而,泡沫吸波材料多為金字塔形,尺寸較大,且其吸波性能與材料高度成正比,這對(duì)材料使用的空間有限制。吸波橡膠常見(jiàn)的形態(tài)為吸波貼片【2,3】,由于是平板結(jié)構(gòu),材料一般具有較窄的頻寬。為滿足吸波材料“質(zhì)量輕、厚度薄、頻帶寬、吸收強(qiáng)”的特點(diǎn),研究者做了大量工作,包括采用蜂窩角錐結(jié)構(gòu)【4,5】,調(diào)整吸波材料的厚度或是吸收劑種類和用量來(lái)擴(kuò)展頻寬和提高吸收強(qiáng)度【6-9】。此外,采用電阻片制備阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)體和超材料也能改善材料的吸波性能【10,11】。這些改善措施從工藝及經(jīng)濟(jì)角度上存在一定程度的制約。

羰基鐵是一種常用的磁損耗吸波劑,廣泛的應(yīng)用于磁流變液【12,13】,電感鐵芯【14】以及電磁波吸收材料【15-18】。羰基鐵獨(dú)特的洋蔥頭結(jié)構(gòu)使其具有較高的電磁性能,且其電磁參數(shù)可通過(guò)加工工藝調(diào)整,得到較好的吸收效果【19,20】。將羰基鐵分散在橡膠聚合物基體中,通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可制備一種小型的阻抗?jié)u變吸波體。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了大型泡沫材料的幾何錐體的優(yōu)勢(shì)與橡膠平板材料的柔性優(yōu)點(diǎn),同時(shí)通過(guò)仿真優(yōu)化,得到的吸波材料具有體積小、吸收強(qiáng)、易加工、可定制等特點(diǎn),能適用于有限空間的測(cè)量環(huán)境。

2.1、原料及儀器

雙組份硅膠S(深圳紅葉杰科技有限公司),羰基鐵1#(成都核八五七新材料有限公司),羰基鐵2#(江蘇天一超細(xì)金屬粉末有限公司),羰基鐵3#(BASF化工有限公司);電動(dòng)攪拌器,真空烘箱,波導(dǎo)測(cè)試儀

2.2、硅橡膠-羰基鐵復(fù)合材料的制備

雙組份硅膠S為加成型硅膠,其中A、B組份在常溫下為透明液態(tài),流動(dòng)性好,粘度約1000mPa.S。AB組份混合后加熱或室溫放置可固化成型,無(wú)副產(chǎn)物產(chǎn)生,友好環(huán)保。羰基鐵為無(wú)機(jī)球狀粉體,具有較好的磁損耗性能。將羰基鐵分散在硅膠的A組份中,機(jī)械攪拌均勻,再加入硅膠B組份,攪拌均勻得到漿料;倒入模具,抽真空后在140℃加熱15min固化成型,得到硅橡膠-羰基鐵復(fù)合吸波材料。

2.3、材料形貌分析、電磁參數(shù)及反射率測(cè)試

羰基鐵及復(fù)合吸波材料的微觀形貌采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察;電磁參數(shù)測(cè)量采用精密波導(dǎo)夾具,儀表選用是德科技(前身為Agilent Technologies) 高性能PNA系列網(wǎng)絡(luò)分析儀 N5230A,校準(zhǔn)類型為T(mén)RL,使用精密NIST算法進(jìn)行計(jì)算。反射率測(cè)量采用了自由空間法測(cè)量,天線將微波能量聚焦在材料,可測(cè)量大尺寸吸波材料的反射率。

3.1、形貌分析

羰基鐵粉是通過(guò)熱解羰基鐵得到的鐵粉,由于其生產(chǎn)工藝特殊,羰基鐵粉呈“洋蔥頭”球狀結(jié)構(gòu)(如圖1a)。這種結(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)作用時(shí)可以阻止磁疇邊界的不可逆移動(dòng),渦流也不能以切線方向傳播到某個(gè)鐵粉顆粒的通信蔥頭層上。因而,這種羰基法生產(chǎn)的鐵粉的具有很高的電磁性能【19】。

圖1a

圖1b-1d分別為羰基鐵1#,2#,3#的SEM圖片?？梢钥闯?三種羰基鐵均成球形,且存在不同尺寸分布。1#羰基鐵的平均粒徑為4-6um,2#羰基鐵平均粒徑為3-4um,3#羰基鐵平均粒徑為3-5um,這種微米級(jí)的顆粒,有一定的團(tuán)聚現(xiàn)象。圖2可以看出,球形羰基鐵在硅膠中分散良好,被硅膠均勻粘結(jié),復(fù)合材料具有均一性,保證了穩(wěn)定的電磁性能。

圖1b 、 圖1c 、 圖1d

圖2

3.2、電磁參數(shù)測(cè)量

復(fù)合材料電磁性能的測(cè)試采用了厚度為3mm的片材。圖3和圖4給出了不同體積分?jǐn)?shù)吸波劑的硅膠-羰基鐵復(fù)合材料(硅膠S+羰基鐵1#)的特征電磁參數(shù)。由圖3a和3b曲線可以看出,隨著吸波劑體積分?jǐn)?shù)從32%增加到40%,材料的復(fù)磁導(dǎo)率實(shí)部和虛部均呈增大的趨勢(shì),u’由2.0增加到2.5,u”由1.0增加到1.5;而隨著頻率的增大,磁導(dǎo)率實(shí)部逐漸減小,虛部在較窄的頻段內(nèi)無(wú)明顯變化。同樣,圖4a和圖4b給出了復(fù)合介電常數(shù)的曲線圖。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)增加到40%時(shí),復(fù)介電常數(shù)實(shí)部由11增加到16.5,;由于材料是非電損耗型,介電常數(shù)虛部基本為0。這種電磁參數(shù)隨吸波劑體積參數(shù)變化的趨勢(shì)也被其他實(shí)驗(yàn)研究所證實(shí)【6,16】

圖3a 、 圖3b

圖4a 、 圖4b

當(dāng)吸波劑體積分?jǐn)?shù)一定時(shí),對(duì)于不同吸波劑,材料的復(fù)磁導(dǎo)率如圖5a和圖5b。1#和2#羰基鐵的磁導(dǎo)率實(shí)部相當(dāng),u’隨頻率增加由3.7逐漸減小到2.0,3# 羰基鐵u’略高,由3.8減小到2.5。三種鐵粉的磁導(dǎo)率虛部為1#>2#>3#,u”數(shù)值減小平緩,隨頻率增加略有降低。3#羰基鐵的介電常數(shù)實(shí)部為14左右,明顯低于1# 羰基鐵的24和2#羰基鐵的25,如圖6a。這是由于不同廠家的生產(chǎn)工藝略有不同造成,3#羰基鐵顆粒表面進(jìn)行了SiO2抗氧化包覆處理,因而導(dǎo)電性能較低。三種羰基鐵粉介電常數(shù)虛部為0,如圖6b所示。

圖5a 、 圖5b

圖6a 、 圖6b

3.3、反射率測(cè)試

幾何角錐形狀是吸波體常見(jiàn)的結(jié)構(gòu),當(dāng)電磁波從自由空間入射到吸波體時(shí),這種錐形結(jié)構(gòu)能夠較好的實(shí)現(xiàn)材料對(duì)電磁波的阻抗匹配,避免了電磁波在材料前表面的反射。同時(shí),對(duì)進(jìn)入吸波材料內(nèi)部的無(wú)線電波,材料通過(guò)羰基鐵的磁損耗將電磁波吸收衰減。根據(jù)樣品電磁參數(shù)的測(cè)試,優(yōu)化原料配比,我們選取了雙組份硅膠S和1#羰基鐵為基材,吸波劑體積分?jǐn)?shù)為42%,然后通過(guò)HFSS仿真設(shè)計(jì),制備了角錐型復(fù)合吸波材料,并對(duì)吸波材料的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí),也將該尺寸的產(chǎn)品與同體積的單層、雙層平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的角錐如圖7所示,角錐底座高度L、寬度W以及錐體總高H對(duì)材料的電磁波反射性能均有影響。

圖7

不同底座高度L。從圖8可以看出,當(dāng)錐體的W,H均不改變時(shí),L由1.5mm增加到2.5mm時(shí),材料的第一個(gè)諧振點(diǎn)由3GHz偏移到2GHz,且反射率由-26dB增大到-22dB;第二個(gè)諧振峰不是很尖銳,但也明顯看出由7GHz偏移到6GHz,反射率沒(méi)有明顯變化。表明錐體底座高度的改變對(duì)材料相對(duì)低頻的電磁波吸收較敏感。

圖8

不同底座寬度W。圖9給出了錐體L,H不變時(shí),改變W材料的反射率曲線?？梢园l(fā)現(xiàn),W由4mm增大到6mm,8mm時(shí),第二諧振峰從非常顯著的7.5GHz下-37dB反射率變?yōu)槠骄彽?GHz下的-17dB和6GHz下的-12dB反射率;而第一諧振點(diǎn)及峰值均沒(méi)明顯變化。這表明底座寬度的改變對(duì)材料相對(duì)高頻的電磁波吸收較敏感。

圖9

不同錐體總高H。幾何尖錐雖然很好的達(dá)到了阻抗匹配,但其尖端不便于加工,一般都將錐體頂部設(shè)計(jì)成平臺(tái)或曲面。為此,我們通過(guò)頂端曲面設(shè)計(jì)控制錐體的高度,具體設(shè)計(jì)是用不同半徑R的球去內(nèi)切錐體頂部從而得到帶曲面的頂端。圖10給出了不同半徑球體改變錐體總高H的曲線。L,W一定,隨著球半徑R的增大,即錐高H的減小,吸波材料第二諧振點(diǎn)有向高頻偏移的趨勢(shì),峰值反射率由-22dB單調(diào)遞增為-5dB,而第一諧振點(diǎn)變化較小,峰值在R為3mm時(shí)突變。

圖10

不同形狀。試驗(yàn)對(duì)比了底面積不變,相同等效高度(5mm)的單層、雙層平板和角錐的反射率,如圖11?？梢钥闯鰡螌悠桨寰哂幸粋€(gè)特征吸收峰,雙層平板屬于阻抗梯度變化,而角錐屬于阻抗?jié)u變體,后兩者反射曲線具有多個(gè)特征峰,擴(kuò)展了頻寬。三種結(jié)構(gòu)表明了一種趨勢(shì),在等效高度一樣的情況下,角錐具有更好的吸收性能。

圖11

根據(jù)以上仿真設(shè)計(jì),我們選取了幾何最佳尺寸,即L=2mm,W=6mm,H=10mm(R =1.5mm)進(jìn)行了材料制備,并將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。由圖12可以看出,實(shí)測(cè)數(shù)值與仿真數(shù)值基本一致,吸收頻點(diǎn)略有偏移;實(shí)際測(cè)量的反射率在高頻優(yōu)于仿真值。表明計(jì)算機(jī)仿真能夠有效地指導(dǎo)材料的制備,使實(shí)驗(yàn)探索更具方向性。材料在2-18GHz內(nèi)有很好的吸收,基本全頻段處于-10dB以下。在2.4 GHz和7.4GHz分別達(dá)到-22dB和-27dB的反射率。

圖12

移動(dòng)終端的小型化(如手機(jī)、平板電腦、音樂(lè)設(shè)備等)推動(dòng)了小暗室有源測(cè)試的發(fā)展,這類測(cè)試應(yīng)用具有測(cè)試速度快、建造成本低,費(fèi)效比高的優(yōu)點(diǎn),是一種小型化快測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真指導(dǎo)材料設(shè)計(jì)與制備,我們得到了一種小型角錐橡膠吸波材料,該材料體積小,吸收強(qiáng),特別適用于小型或微型暗室,材料具有以下特征:

(1) 幾何角錐的各個(gè)維度的尺寸對(duì)材料的吸波性能有影響,角錐底座高度對(duì)低頻反射率影響較大,底座高度和錐體總高對(duì)高頻反射率影響較大。

(2) 對(duì)于給定的電磁參數(shù),材料在滿足無(wú)線通信頻段內(nèi),優(yōu)化后角錐的最優(yōu)尺寸為L(zhǎng)=2mm,W=6mm,H=10mm。

(3) 橡膠角錐的吸波性能優(yōu)于同等材質(zhì)的單層和雙層平板結(jié)構(gòu)。

(4) 通過(guò)調(diào)節(jié)原料配比,可根據(jù)需求設(shè)計(jì)不同頻段的吸波材料。

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